Научной работой Фаворский начал заниматься еще в студенческие годы. По предложению Бутлерова он приступил к исследованию новых соединений ацетиленовых углеводородов и после двух лет неудач сделал важное научное открытие: обнаружил, что при определенных условиях происходит изомерное превращение ацетиленового соединения тройная связь в молекуле перемещается к центру (однозамещенный ацетилен изомеризуется в двузамещенный) или превращается в две двойные связи. Это открытие определило все его дальнейшие исследования изучение изомерных превращений в ненасыщенных соединениях.
Осуществляя изомерные превращения ацетиленовых углеводородов под влиянием спиртовых растворов щелочей в разных условиях (1887), Фаворский выявил закономерности внутримолекулярных перегруппировок непредельных соединений (правило Фаворского) и синтезировал ряд углеводородов с тройной связью. В 1895 обнаружил новый вид изомерии a-галогенкетонов в карбоновые кислоты, положивший начало синтезам кислот акрилового ряда. В 19001905 открыл метод синтеза третичных ацетиленовых спиртов (реакция Фаворского). На основе этой реакции был разработан способ получения изопренового и хлоропренового каучуков. В 1939 Фаворский предложил метод синтеза изопрена на основе ацетилена и ацетона через ацетиленовый спирт и винилдиметилкарбинол.
Среди учеников Фаворского С.В.Лебедев, В.Н.Ипатьев, А.Е.Порай-Кошиц.
Умер Фаворский в Ленинграде 8 августа 1945.
Фаворский А.Е. Сборник избранных трудов. М. Л., 1940
Фаворская Т.А. Алексей Евграфович Фаворский. Л., 1968